基于CFD的瀝青混合料螺旋攤鋪運動場分析

曹源文，夏 杰，趙 江，張曉強，黎 曉，吳春洋

(1.重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶 400074； 2.云南省交通運輸廳，云南 昆明 650031；3.鄭州路橋建設投資集團有限公司，河南 鄭州 450001)

0 引 言

隨著中國大力推動公路建設，瀝青公路不斷增加，瀝青路面施工對攤鋪均勻性的要求也越來越高。瀝青路面的均勻性受到級配、攤鋪設備、攤鋪溫度等因素影響，解睿攤鋪機的螺旋布料器中的混合顆粒在受力和不同制約條件下進行了運動學分析，得出需要從結構上改變螺旋布料器才可以減少離析。李冰等分析了瀝青混合料離析的成因，提出解決級配離析和溫度不均勻離析的新方法。Dai等使用有限元和離散元模型仿真分析，計算得到瀝青混合料蠕變剛度的微觀力學預測值。黃富裕等人對螺旋布料器輸送中的瀝青混合料進行流體力學(CFD)的仿真分析瀝青混合料的粒料運動。

本文根據瀝青混合料在一定溫度下具有流體特性，計算其半徑在0.1 m以上的雷諾數在2 000以上，因而視其流動為湍流流動。結合流體基本方程和RNG-湍流模型結合，Yakhot等在-湍流模型的基礎上，利用重整化群(Renormalization Grop )方法建立了RNG-湍流模型,并修正了常數項。蔣莉等應用RNG k-ε 湍流模式與壁面律結合驗證了曲率影響的湍流運動。然后，建立瀝青混合料在螺旋布料器里面運動的流體湍流三維模型進行仿真分析，利用CFD方法進行求解。借助CATIA建立不同結構參數的螺旋布料器三維模型，并利用ANSYS的Design Modeler模塊中填充流體域、旋轉域和劃分網格，在CFX-Pre 模塊中設置瀝青混合料的材料屬性、流體域、邊界條件以及運動參數，完成瀝青混合料的流體運動場模型的設置。根據求解瀝青混合料的運動場模型，得到螺距、螺徑以及轉速對運動場的影響。仿真結果表明，合適的螺旋布料器參數可以減少瀝青混合料的離析，這對實際工程中減少瀝青混合料的離析，提高公路壽命具有較大的應用價值。

1 流體運動基本方程

流體是連續介質組成的物質，對于流體研究不考慮微觀運動，所以將流體在宏觀現象上看作是空間和時間的可微函數。故將密度、壓強、溫度、速度都定義為空間和時間的函數：(,,)，(,,)，(,,)，(,,)。

根據這些基本函數建立基本流體運動方程。

1.1 流體運動質量方程和動量方程

在笛卡爾坐標下不可流動的流體的質量守恒連續微分方程為

(1)

本文采用納維爾-斯托克斯的動量守恒微分方程

(2)

式中：為流體密度；為壓力；為速度矢量；為時間，、、為時刻在、、各個方向的速度分量；為單位體積流體受的外力；是動力黏度，為常數。

1.2 RNG k-ε湍流數值模型

瀝青混合料是不可壓縮黏性流體，選擇的控制方程為

(3)

其中為平均流速，是平均壓力，是粘性系數和是渦黏性系數，對大雷諾數的湍流運動，可選渦性系數的表達式為

(4)

式中：為常數；為湍流動能；為湍流動能耗散量。

其方程如下

(5)

(6)

其中的、1、2表達式以及式中常數為

本文的瀝青混合料運動場模擬分析中選取RNG-湍流模型，采用有限體積法對此模型在ANSYS中的流體模塊中完成求解，得到平均速度和湍流動能，并對其輸出進行分析。

2 運動場幾何模型的建立

2.1 實體模型的建立與網格的劃分

在CATIA中建立以某型號攤鋪機的螺旋布料器的三維實體模型，根據需要滿足攤鋪厚度的要求，對不同螺徑設置不同入口速度，建模的相關參數如表1所示。將導入ANSYS的Design Modeler模塊中，利用Tool的包圍命令生產三維流體計算區域。

表1 螺旋布料器相關參數

由于螺旋布料器是對稱體，這里只對其左半部分進行了流體計算分析，并對流體模型進行流場域分割，如圖1所示。然后對流體域進行網格劃分，如圖2所示。

圖1 流體域設置

圖2 螺旋布料器外流場網格

2.2 “域”處理與邊界條件的設置

2.2.1 計算域設定

本文設定了計算域和流體域。瀝青混合料設定為AC-20，密度為2.44 g·cm，動力黏度為0.44 pa·s，進料量為115%，出口的流體長度為1 310 mm，出口攤鋪量為1 048 000 mm，進料量為115%，螺旋布料器旋轉速度設置為60 r·min，螺徑為480 mm的入口速度為71.81 mm·s，螺徑為420 mm的入口速度為85.92 mm·s，螺徑為360 mm的入口速度為114.1 mm·s。

2.2.2 邊界條件的設置

對流體域設置進出口條件、壁面條件，在旋轉域和流體域之間設置邊界條件，邊界條件具體設置如下。

(1)進出口條件和壁面條件設定。進口條件：流體靜壓選擇亞音速；質量流速度設置為0.073 m·s；湍流參數使用默認值。出口條件：流動速度設定為0.027、0 m·s；流體靜壓、流體動量以及湍流參數不變。壁面條件：壁面流體速度為0 m·s，旋轉壁面的相對主軸旋轉角速度也設為0 rad·s。

(2)域交界面條件設定。本文研究的流場模型包括旋轉域與流體域兩種計算域，且選用多重參考系，故應在兩種計算域之間設置數據交界面。

3 結構螺旋攤鋪運動場動力學分析

3.1 不同螺距下的瀝青混合料動力學分析

3.1.1 螺距對運動場速度的影響分析

(1)瀝青混合料的速度云圖。對不同螺距進行瀝青混合料的運動場分析，速度云圖能顯示瀝青混合料運動場的速度變化情況。選取螺距為280 mm的螺旋布料器運動場的、軸的中心位置，選=-0.625 m的縱截面和=0 m的橫截面的速度云圖分布，如圖3所示。

圖3 瀝青混合料在螺距280 mm下的速度云圖

速度云圖可以直觀表達瀝青混合料的速度分布情況，并不能準確表達出瀝青混合料的離析情況，但需要速度云圖來計算不同截面的平均速度，以此表現瀝青混合料的離析分布情況。

(2)瀝青混合料的軸向時均速度。選取13個仿真試驗截面的速度云圖，利用CFX-Post計算不同螺距從左到右的不同截面的平均速度，并作出不同螺距下的平均速度折線圖，如圖4所示。

圖4 不同螺距下的平均速度折線圖

從圖中看出：截面從=0 m到=-1.2 m的速度先增大后減小；螺距越大，速度變化越平穩，攤鋪均勻性越好；但是螺距越小，速度變化范圍越小，也會降低離析發生。因此，螺距過大過小都不適合攤鋪，為了使攤鋪均勻性更好，結合仿真分析，得到攤鋪效果最好的螺距為280 mm。

3.1.2 螺距對運動場湍流動能的影響分析

本文在CFD模擬分析中選擇此湍流模型進行仿真。根據CFX-Post進行求解，得到瀝青混合料的湍流動能云圖，選取不同螺距下的=-0.625 m縱截面和=0 m的橫截面的湍流云圖，如圖5所示。

圖5 不同螺距下混合料的湍流動能云圖

圖5中顯示了不同螺距情況下湍流動能的分布情況，軸上部的混合料的湍流動能大于下面的湍流動能，在靠近螺旋葉片處的湍流動能急劇增大，因此，在葉片處湍流動能分布越均勻對輸送越好。對比不同螺距情況下湍流動能分布情況，當螺距為280 mm時，湍流動能分布最均勻。所以在280 mm螺徑下的輸送效果最好。

3.2 不同螺徑下的瀝青混合料的動力學分析

3.2.1 螺徑對運動場速度的影響分析

更改模型參數，求解得到不同螺徑下的速度云圖，其中1組如圖3所示。根據速度云圖計算螺旋布料器運動場軸向各橫截面的平均速度值，得到螺徑為480 mm、420 mm、360 mm下螺旋布料器的軸向時均速度，并繪制在不同螺徑下的速度折線圖，如圖6所示。

圖6 不同螺徑下的平均速度折線圖

當螺徑越小，軸向速度變化范圍越小，瀝青混合料輸送效果越好，離析就越輕，但是螺徑越小，平均輸送速度越慢，為了保證輸送效果和輸送效率，綜合考慮選取螺徑為420 mm更加適合輸送瀝青混合料。

3.2.2 螺徑對運動場湍流動能的影響分析

根據不同螺徑的湍流動能云圖，如圖5所示。利用ANSYS計算出螺徑為480、420、360 mm下的湍流動能數值，并繪出不同螺徑下的湍流動能折線圖，如圖7所示。

圖7 不同螺徑的水平方向湍流動能折線圖

隨著螺徑的減小，瀝青混合料的動能也更小，并且變化范圍更小，由于湍流動能越大，離析越明顯，較大的瀝青混合料就會向徑向運動，產生嚴重離析；另一方面半徑越小，輸送效率越低，而且輸送過程中瀝青混合料旋轉運動不充分，從而影響瀝青混合料的均勻性。根據仿真與實踐得出：當螺徑為420 mm時螺旋布料器輸送效果最好。

3.3 轉速對瀝青混合料流場的動力學分析

3.3.1 轉速對瀝青混合料的速度分布的影響

在ANSYS的CFD中更改轉速設置，根據速度云圖，如圖3所示，分別計算出轉速在40～80 r·min的瀝青混合料在水平方向的平均速度，選取40、60、80 r·min對應的數據，并畫出其折線圖，如圖8所示。

圖8 不同轉速下的水平方向平均速度折線圖

在不同轉速下，平均速度的變化趨勢一致，轉速越低，隨著截面變化速度的變化范圍越小，越有利于輸送瀝青混合料，離析越輕。因此轉速為40 r·min的輸送效果最好。

3.3.2 轉速對瀝青混合料湍流動能的影響

求解出不同轉速下瀝青混合料在螺旋布料器中運動的水平方向湍流動能值，并繪制其不同截面方向湍流動能折線圖，如圖9所示。

圖9 不同轉速下的水平方向湍流動能折線圖

不同轉速湍流動能折線圖和其平均速度折線圖變化趨勢一致，為了保證能夠有更好的傳輸效果，減少離析，應該選擇40 r·min的轉速更加合適。

4 結 語

通過對螺旋布料器輸送瀝青混合的運動場仿真，對實際攤鋪施工中減少離析，提高瀝青公路壽命有較大意義，并給出了螺旋布料器相關參數的合理建議值。

(1)在一定范圍內增加螺距可以提高軸向的瀝青混合的速度，使其湍流動能分布均勻，減少離析，當螺距大于280 mm，增加螺距，周向速度分布差異會變大，造成周向離析，綜合考慮在螺距為280 mm可以控制軸向和周向的離析。

(2)增加螺徑，瀝青混合料的軸向速度變大，湍流動能越大，速度分布越不均勻，更容易造成離析；但為了保證輸送效率，螺徑不能太小，因此，螺徑的最佳值為420 mm。

(3)當螺旋布料器轉速減小，能減少離析，但會影響輸送效率，綜合考慮后認為40 r·min的轉速比較合適。